レーザー駆動イオン加速による高電離・短パルス重イオンビーム輸送ダイナミクスの解明

• Project/Area Number: 22KJ2402
• Project/Area Number (Other): 21J22132 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 宮武 立彦 九州大学, 総合理工学府, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: レーザー駆動イオン加速 / 加速器 / エミッタンス / ビーム診断 / Particle-In-Cellシミュレーション / paticle in cellシミュレーション / 重イオン / 電流量

Outline of Research at the Start

本研究は，レーザー駆動イオン加速機構を用いた新機軸のイオン加速器を開発するために，発生するイオンビームのビームダイナミクス，及びレーザー照射条件に対して発生するイオンビームがどのような特性を持つのかを解明することを目的とした研究である。Particle-in-cellシミュレーションによる，レーザー加速イオンの発生メカニズムの解析や，レーザー加速イオンのエミッタンス等を高精度に診断するための計測手法の開発を進めることで，レーザー加速イオンのビーム品質を制御，最適化し，既存の加速器では達成しえない特性を持ったイオンビームを供給可能な加速器の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高強度レーザーと固体薄膜の相互作用によりイオン加速を行う，レーザー駆動イオン加速機構によって新機軸イオン加速器を実現することを目的とし、発生するイオンビームの特性診断法の開発、イオン加速実験等を行ってきた。
レーザー駆動イオン加速機構では，様々な核種が混在し連続エネルギーを持つイオンビーム中から、特定のイオン種のみを選択して粒子数を診断する必要がある。そこで，静電レンズ及びトムソンパラボラ分光器を組み合わせ，核種が混在したイオンと計測対象である10 keV/uのC4＋を弁別する計測法を開発し、シミュレーションおよび実験結果から原理実証を行った。本成果はレーザー研究に掲載され、レーザー学会 論文賞【オリジナル部門】を受賞した。
また、レーザー加速イオンビームは、ビームが持つ横方向運動量ばらつきを示す「エミッタンス」と呼ばれるビーム特性が優れているといわれるが、その低エミッタンス特性を高精度に診断する手法が確立されていなかった。本研究では、その極めて優れたエミッタンス特性を高精度に診断することを目的とし、スリット計測法によるエミッタンス診断システムを開発した。使用するフィルム型線量計の空間分解能が診断精度に大きく影響したため、線量計の読み取り光学装置を新規に開発し、空間分解能を従来装置の83.3 umから11.9 umまで向上させ、計測精度を保証するシステムを確立した。レーザー駆動イオン加速実験にてMeV級プロトンビームのエミッタンス特性を診断した結果、エミッタンス特性が既存加速器より一桁程優れ、エミッタンス特性が薄膜標的条件によって制御できることを観測した。これらの内容は高輝度ビーム生成やレーザー駆動イオン加速器の設計に貢献するものであり、その成果はAIP Advancesへの掲載や国内外での学会発表などによって報告し、加速器学会年会賞を受賞した。

Research Products

• [Journal Article] Evaluation of the spatial resolution of Gafchromic? HD-V2 radiochromic film characterized by the modulation transfer function (2023)
  • Author(s): Miyatake Tatsuhiko、Kojima Sadaoki、Sakaki Hironao、Dinh Thanh-Hung、Takemoto Ibuki、Hata Masayasu、Nishikino Masaharu、Watanabe Yukinobu、Ishino Masahiko、Mori Michiaki、Koga James Kevin、Yamamoto Yoichi、Ito Fuyumi、Kando Masaki、Shirai Toshiyuki、Kondo Kiminori
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 13 Issue: 8 Pages: 085303-085303
  • DOI: 10.1063/5.0160754
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Induction heating for desorption of surface contamination for high-repetition laser-driven carbon-ion acceleration (2023)
  • Author(s): Sadaoki Kojima, Tatsuhiko Miyatake, Hironao Sakaki, Hiroyoshi Kuroki, Yusuke Shimizu, Hisanori Harada, Norihiro Inoue, Thanh Hung Dinh, Masayasu Hata, Noboru Hasegawa, Michiaki Mori, Masahiko Ishino, Mamiko Nishiuchi, Kotaro Kondo, Masaharu Nishikino, Masaki Kando, Toshiyuki Shirai, Kiminori Kondo
  • Journal Title: Matter Radiat. Extremes Volume: 8 Issue: 5 Pages: 054002-054002
  • DOI: 10.1063/5.0153578
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): N. P. Dover, T. Ziegler, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, S. Bock, T. E. Cowan, E. J. Ditter, M. Garten, L. Gaus, I. Goethel, G. S. Hicks, H. Kiriyama, M. Nishiuchi, et al.
  • Journal Title: Light: Science & Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 71-71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Diagnosis of Transverse Emittance in Laser-Driven Ion beam (2022)
  • Author(s): T. Miyatake, H. Sakaki, I. Takemoto, Y. Watanabe, T. H. Dinh, S. Kojima, Ki. Kondo, Ko. Kondo, M. Kando, M. Nishikino, M. Nishiuchi
  • Journal Title: Proceedings of the 13th International Particle Accelerator Conference Volume: 13 Pages: 637-640
  • Open Access
• [Journal Article] レーザー駆動イオン加速機構におけるビームエミッタンス評価 (2022)
  • Author(s): 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Journal Title: Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: 19 Pages: 233-236
  • Open Access
• [Journal Article] Ion Beam Transportation from Femto-Second Laser-Plasma Driven Ion Source (2022)
  • Author(s): SAKAKI Hironao, MIYATAKE Tatsuhiko
  • Journal Title: Journal of Plasma and Fusion Research Volume: 第９８巻第６号 Pages: 267-271
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Shot Diagnostics of Beam Particle Number for Laser Accelerated Carbon Ion (2022)
  • Author(s): Tatsuhiko MIYATAKE, Sadaoki KOJIMA, and Hironao SAKAKI
  • Journal Title: The review of laser engineering Volume: 50 Pages: 42-46
  • Peer Reviewed
• [Presentation] レーザー加速炭素ビームのビーム特性診断 (2024)
  • Author(s): 宮武 立彦, 小島 完興, 榊 泰直
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Optimization of laser irradiation conditions for high-brightness beam generation in laser-driven ion beams (2023)
  • Author(s): Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima, Hironao Sakaki, Haruya Matsumoto, Thanh-Hung Dinh, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino, Kotaro Kondo, Mamiko Nishiuchi, Yukinobu Watanabe, Yoshiyuki Iwata, Toshiyuki Shirai, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • Organizer: Quantum Beam Application for Sciences and Industries 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-brightness beam generation in a laser-driven ion acceleration mechanism (2023)
  • Author(s): Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima, Hironao Sakaki, Haruya Matsumoto, Thanh-Hung Dinh, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino, Kotaro Kondo, Mamiko Nishiuchi, Yukinobu Watanabe, Yoshiyuki Iwata, Toshiyuki Shirai, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • Organizer: The 79th Fujihara Seminar, Prospects for High Field Science 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速機構における高品質イオンビーム生成 (2023)
  • Author(s): 宮武 立彦, 小島 完興, 榊 泰直, ヂン タンフン, 畑 昌育, 錦野 将元, 西内 満美子, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第20回日本加速器学会年会
• [Presentation] ラジオクロミックフィルムを用いたマイクロメートル空間分解能の線量計測手法の開発 (2023)
  • Author(s): 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹,ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 近藤 康太郎, 西内 満美子, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Diagnosis of Transverse Emittance in Laser-Driven Ion beam (2022)
  • Author(s): T. Miyatake, H. Sakaki, I. Takemoto, Y. Watanabe, T. H. Dinh, S. Kojima, Ki. Kondo, Ko. Kondo, M. Kando, M. Nishikino, M. Nishiuchi
  • Organizer: 13th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速機構におけるビームエミッタンス評価 (2022)
  • Author(s): 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第19回日本加速器学会年会
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速機構による炭素イオンビームエミッタンス診断 (2022)
  • Author(s): 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: レーザー学会 学術講演会 第42回年次大会
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速機構におけるプロトンビームの横方向エミッタンス診断 (2022)
  • Author(s): 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第69回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Patent(Industrial Property Rights)] イオン発生装置、イオン発生方法、およびイオン発生用ターゲット (2022)
  • Inventor(s): 小島完興，榊泰直，宮武立彦，他5名
  • Industrial Property Rights Holder: 小島完興，榊泰直，宮武立彦，他5名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-190747
  • Filing Date: 2022